华北平原地下水污染调查评价及关键技术研究

几十年来，水资源问题是制约华北平原区域经济发展的瓶颈。近年来，地下水污染问题的呈现，削弱了华北平原地下水资源的利用能力。特别是京津冀协同发展的今天，水环境安全已上升为国家战略。为全面掌握我国地下水水质与污染状况，制定和实施地下水污染防治规划，有效保护地下水资源，保障饮水安全，中国地质调查局于2005年部署了“全国地下水污染调查评价”工作。同时在项目中设立了全国地下水污染调查评价综合研究、调查评价技术方法、测试技术三个工作项目，开展地下水污染调查评价技术研发，制定统一的技术要求，旨在组织完成华北平原地下水污染调查评价工作的基础上指导全国地下水污染调查工作。

“华北平原地下水污染调查评价”计划项目，由中国地质调查局水环部统一管理，承担单位为中国地质科学院水文地质环境地质研究所，参加单位有：河北省地质环境监测总站、河南省地质调查院、山东省地质调查院、北京市地质调查研究院、天津市地质调查研究院、中国地质调查局水文地质环境地质调查中心、国家地质实验测试中心、天津地质调查中心、中国地质大学（北京），共有14个单位参加。

项目以水环所技术骨干和工作项目负责人为主成立了综合研究组，组织有关专家构建了统一的地下水污染调查、采样、检测、评价和数据管理的技术方法，编制相关技术要求，并依托于华北平原各工作区的调查结果，开展综合研究和评价，获得华北平原地下水污染调查评价成果，支撑了我国地下水污染调查评价工作。

通过六年的攻关，完成研究成果报告1本、编制图集1部、编写相关技术要求2本、制作“采样方法教学影像”1部、引进国外技术方法3部、组织技术培训及研讨10余次、出版期刊专辑3部、出版学术专著1部、出版译著1部、发表学术论文44篇、在国内外学术会议做报告20余人次、培养硕士研究生4名、博士研究生2名。2011年获中国地质学会年度十大进展奖，2014年获中国地质调查局地质调查成果一等奖。依据项目成果编写的“华北平原地下水污染状况及防治建议”获得温家宝总理的批示。

一、主要成果

(一).技术支撑体系构建

研发了适合我国国情的地下水有机污染采样设备，培育并认定了13个地调局有机污染物检测实验室，开发了地下水检测远程监控体系和地下水污染调查评价信息系统，构建了地下水污染调查、采样、保存、运输、检测和数据管理的技术体系，有力支撑了我国地下水污染调查工作。

研发了适合中国特色的地下水有机污染样品采样器和相关装置，确保了地下水污染样品采取质量。本次工作是利用现有井采集水样，五花八门的井中提水设备，严重影响有机污染样品的精度。为解决该问题，通过广泛吸收国外地下水有机样品采集技术，结合地下水开采现状，在我国地下水有机样品采集技术薄弱的基础上，研发的可供各种型号井口使用的正压和负压采样器，以及现场水样过滤装置，解决了黄河沿岸和淮河流域平原区等地区的自吸泵、手压泵等负压提水设备采样引起地下水有机组分逸出的问题（图2）；研发的样品现场加标和运输低温保存方法，确保了地下水污染样品采取、保存和运输的质量。建立了一套完整的、适合我国国情的地下水污染水样采集技术体系，为全国地下水污染调查评价项目实施提供了样品采集的质量保证。

建立了远程实时质量监控网络系统，规范和认定了一批有机污染物样品分析实验室。本次地下水污染调查评价，现场检测指标7项，室内检测指标无机27项、有机36项，按每百平方千米3-4组样品采集，样品量巨大，由多家实验室同时检测。为控制其检测质量，开发了“地下水污染调查评价规范”中各项有机组分的测试方法，研发从样品采集到实验室分析质量控制的“远程实时监控系统”，有效培育和提升了承担地下水污染样品测试任务的实验室有机污染物样品分析的技术能力。通过实验室间比对和能力验证，认定了13个地调局有机污染物检测实验室，确保了地质实验室地下水有机分析的精度，保证全国地下水污染调查评价项目样品测试数据的质量。

基于统一数据库标准，构建了我国首个地下水质量与污染调查评价信息系统，保证地下水污染调查海量数据管理与评价效率。开发了包括野外数据采集系统、数据录入系统、综合分析系统、预警预报与数据共享系统等模块的地下水污染调查评价信息系统，建立信息化工作环境，有效地提高地下水污染调查、评价、服务的效率，实现基于基础数据的可持续、快速评价。

编制了地下水污染调查技术要求，制作影像光盘，开展技术培训，支撑了我国地下水污染调查工作。在上述研究的基础上，编写《1:25万区域地下水污染调查技术要求》、《地下水污染调查评价样品分析质量控制技术要求》和相关作业指导书，制作了“采样方法教学影像”光盘，在《岩矿测试》期刊出版地下水污染调查检测技术专辑，对全国承担地下水污染调查项目的技术人员开展了多批次的地下水污染调查、采样、质量控制、信息系统技术培训。

(二).评价方法研究

梳理了地下水质量、污染、检出等概念和内涵，提出地下水质量与污染评价新方法，完善了地下水污染风险和区划的定量评价方法，建立其评价方法体系，为我国地下水污染评价工作提供技术保障。

厘定各类检出限的含义，提出评价检出限概念，确定了评价检出限限值。针对目前对检出限理解差异和利用混乱状况，在明确了仪器检出限、方法检出限、目标检出限的含义的基础上，提出了以污染组分的最低定量限作为评价检出限的概念。分析研究各实验室仪器设备精度、人员素质、给定的检出限和测试大量数据，确定出一套适用于我国现状技术条件下地下水质量与污染评价的评价检出限值。

采用单指标、分类指标和综合指标评价地下水质量和污染，能较好识别地下水质量的天然和人为影响程度。将地下水质量与污染参评指标按一般化学指标、无机毒理指标、毒性重金属指标、挥发性有机指标、半挥发性有机物分为五类。分别采用单指标、分类指标和综合指标评价地下水质量和污染状况，可以充分反映每个指标、每类指标对地下水质量的贡献，以及人类活动对地下水污染的状况（式1，式2），对分析地下水质量与污染的主控因素以及地下水的利用具有重要意义。

提出了地下水污染的单指标标准指数法，较好区分地下水质量与污染，能客观反映区域地下水污染状况。通过对地下水污染的多种评价方法研究，提出 “单因子污染标准指数评价法”，该方法剔除背景值，选用国际认可的《地下水质量标准》(报批稿)Ⅲ类水限值为标准值，计算其污染指数，评价结果可进行不同区域、不同时间的污染程度对比。该方法已经通过了长江三角洲、淮河平原、东北地区和华北平原地下水污染调查评价的检验。在环保部多个项目中得到了应用，并写入多个“指南”中。

基于区域地下水污染风险，构建了地下水污染防治区划方法。以地下水防污性能、污染源荷载程度、污染现状、地下水开采程度和地下水功能为评价指标，建立了区域地下水污染风险模型。在此基础上，结合地下水水源保护条件，提出了地下水污染防治区划方法。基于MapGIS的图层叠加和空间分析功能，开发了地下水污染风险评价和防治区划计算机软件系统。

建立了地下水污染评价方法体系，为我国地下水污染评价提供技术保障。在上述研究基础上，制定了《1:25万区域地下水污染调查评价技术要求》、撰写专著《区域地下水污染调查评价技术方法》、翻译出版《地下水氯代烃污染羽原位修复》已被业内外引用；编译的《地下水污染评价与管理的草案指南》（澳大利亚）、《全国地下水和饮用水井中的挥发性有机物》（美国）、《100种地下水有机污染名录》已在全国地下水污染调查评价培训班应用；组织二次全国地下水污染研讨会，并在《水文地质工程地质》和《地球学报》出版专辑。

该评价方法体系除在全国地下水污染调查评价项目应用外，还得到了环保部、水利部相关研究的应用，并被写入环保部《典型农业区地下水基础环境状况调查评估技术指南》、《规模化畜禽养殖场地下水基础环境状况调查评估技术指南》、《地下水污染防治区划技术指南》、《地下水脆弱性评价方法指南》。

(三).华北平原地下水污染调查评价

应用提出的评价方法，全面系统地评价了华北平原地下水质量和污染现状，提出地下水质量主要受控于原生地质环境，揭示了农业面源、排污河和工业园区等地下水污染源是引起地下水污染的主要因素。

华北平原地下水质量从浅层至深层由差变好，从山前至滨海逐渐变差。用分类指标评价超Ⅲ类地下水的影响程度显示（图3），其最大的是“一般化学指标”，浅层为75.27%, 深层为57.83%；华北平原浅层地下水的4384个参评点中，Ⅰ～Ⅲ类地下水的占22%，Ⅳ类占21%，Ⅴ类占57%；深层地下水的1679个参评点中，Ⅰ～Ⅲ类地下水占26%，Ⅳ类占23%，Ⅴ类占51%；从山前平原至滨海平原，地下水质量逐渐变差，其中Ⅰ～Ⅲ类的地下水从49%降至3.9%，Ⅴ类地下水从21%升至86.9%。

华北平原地下水质量主要受原生地质环境的控制，人类活动影响较小，表现出与区域水文地球化学特征相同的分布规律，具有明显的分带性。促使浅层地下水超Ⅲ类的主要是原生指标，计算锰、总硬度、溶解性总固体、碘化物、氟化物和砷的贡献率分别为：73%、72%、57%、55%、21%和17%；深层地下水超Ⅲ类水原生指标贡献率分别为: 氟化物73%、碘化物53%、溶解性总固体24%、氯化物22%、锰14%、砷7%。浅层地下水源自人类活动影响较大的污染指标有: 亚硝酸盐、硝酸盐和铵氮，贡献率分别为20%、9.5%和6.4%；镉、六价铬、铅、汞的贡献率分别为0.15%、0.12%、2.38%和0.06%；有机污染指标中苯和四氯化碳对地下水质量贡献率为0.41%；深层地下水源自人类活动影响的污染指标贡献率为：亚硝酸盐5.4%，镉0.16%、六价铬0.49%、铅1.7%和汞0.24%。

系统评价了地下水污染程度，地下水“三氮”含量普遍偏高，（类）毒性重金属砷、六价铬、铅均出现超标，有机污染组分普遍检出，超标率低。受污染地下水占参评点数的35%，以轻污染为主，占17%，严重污染和极重污染占11%。地下水污染程度由山前冲洪积扇平原至滨海冲积海积平原逐渐加重，浅层比深层地下水污染严重，浅层地下水未受污染占56%，深层地下水为87%。

对引起华北平原地下水污染的影响因素进行了分析，识别了农业面源、排污河和工业园区等地下水污染源的污染过程和危害。区内河道已成为城镇与工厂污水排放的主要通道，在无水系的地方多采用渗坑、渗井等排污方式，已造成地下水线状和点状污染。垃圾场几乎没有防渗措施，规模化养殖场污染物随意排放，迅速发展的石油工业和乡镇企业是地下水污染的重灾区。农业超量施用化肥、农药以及悠久污水灌溉，对区域土壤、地下水产生面状污染。城市老工业区的历史污染事件对地下水造成威胁，由于过度开采造成地下水位下降而导致城市区的地下水环境变化。

首次对华北平原县级以上232个地下水集中供水水源地和村镇3154个地下水分散供水水源进行了饮用水适宜性评价。232个集中供水水源地共有101个存在超标，主要为无机指标F-、I-、Mn、总硬度等。经饮用水适宜性评价，集中供水水源地适宜和基本适宜饮用的共有184个，占79.3%，有12个水源地不宜饮用。对3154个分散供水水源评价认为，锰、总硬度和溶解性总固体超标率为31.39%、26.35%和25.36%；经饮用水适宜性评价，分散供水水源在安装去氟装置的条件下，适宜和基本适宜饮用占71.2%，有730个水源地不宜饮用，不宜饮用的水源中影响较大的是碘化物。

建立了华北平原地下水质量与污染调查评价信息系统，构建了区域地下水污染风险评价方法并进行了华北平原地下水污染防治区划，为华北平原地下水污染防治提供了重要依据。利用地下水质量与污染调查信息系统平台，完成了华北平原地下水质量与污染调查信息系统建设，野外调查工作记录45131条，测试数据29419条。改进DRASTIC方法评价了华北平原地下水防污性能，依据地下水防污性能、污染源荷载程度、地下水资源功能进行了地下水污染风险区划分，构建了由水源保护区、污染治理场区、地下水污染监测区及防护区组成的地下水污染防治区划，提出相应的保护和控制措施。

由于采取了野外工作预先要求、过程检查; 实验测试全程监控、多种考核样跟踪; 按年度建立数据库，多手段核查数据的合理性; 方法研究在先，技术指导步步紧跟等严格的质量保证措施, 结果全部数据合格,项目评审中获得了94.14的高分。

二、成果的社会效益

(一)受到国家领导重视，优先启动华北平原地下水污染防治

根据温家宝总理对“华北平原地下水污染状况及防治建议”的重要批示，环境保护部会同国土资源部、水利部及住房城乡建设部，编制了《华北平原地下水污染防治工作方案》。 “华北平原地下水污染调查评价”成果是该“方案”的编制依据和重要基础。在“方案”编制过程中，参考了该成果中《1：25万区域地下水污染调查评价技术要求》的技术方法，引用了华北平原地下水污染调查与评价成果的数据，为“方案”的顺利完成提供了技术和资料支撑。

该“方案”也是《全国地下水污染防治规划（2011－2020年）》出台后，编写的第一个地下水污染防治方案。国家已优先启动“华北平原地下水污染防治工作”，有力推动了我国地下水污染防治工作的开展，产生了极为重大的社会效益。

(二).技术方法创新，引领并推动我国地下水污染调查评价

创新性地提出的地下水污染评价方法、地下水有机污染评价检出限和地下水有机污染样品采集方法等。受到了同行的好评和应用。环保部和水利部的相关单位，对本项目组完成的该成果十分认同，并高度重视，与我们开展了多方位的合作。环保部表示，为借鉴国土部门在地下水环境调查工作方面的成功经验，科学合理地安排和部署全国地下水基础环境状况调查评估工作。研发的适用于负压提水设备的地下水有机污染水样采集装置，携带方便，安装简单，可使进水管内脱出的VOCs在排水管内完全回溶而不致丢失，保证了项目的取样进度和质量，是一套值得推广的小口径潜水井挥发性有机物采样装置。保障了在我国广大地下水位埋深浅的地区采集地下水有机污染水样工作，并得到好评。

(三).为京津冀一体化、为地方经济建设服务

依据本成果编制的“京津冀平原地下水污染图”、“京津冀平原地下水“三氮”污染图”、“京津冀平原地下水有机污染图”和“京津冀平原地下水重金属污染图”等4幅图，被列入《京津冀地区国土资源与环境地质图集》中，为京津冀一体化建设提供了科学基础。河北省、北京市和河南省已将本成果应用于地下水污染防治、水源地保护、工业园区的地下水保护工作，为地方经济建设提供了技术方法和基础数据，取得良了的社会效益。

(四).增强国内外信息交流，全面提高地下水污染调查评价研究水平

制定了《1:25万区域地下水污染调查评价技术要求》、撰写专著《区域地下水污染调查评价技术方法》、翻译出版《地下水氯代烃污染羽原位修复》已被业内外引用；编译的《地下水污染评价与管理的草案指南》（澳大利亚）、《全国地下水和饮用水井中的挥发性有机物》（美国）、《100种地下水有机污染名录》已在全国地下水污染调查评价培训班应用；组织二次全国地下水污染研讨会，并在《水文地质工程地质》、《地球学报》和《岩矿测试》出版专辑，共收集了174篇论文，推动了地下水污染调查工作的发展，提高了地下水污染的研究水平。

(项目负责人简介

张兆吉: 水环所二级研究员、副所长、理学博士，有着扎实的理论基础，在华北平原从事地下水资源及环境问题研究三十多年，曾参加该区的“六五”、“七五”国家科技攻关项目，在老一辈水文地质专家的传帮带下，积累了丰富的实践经验。在本次工作中提出了单因子标准指数污染评价法、区域地下水污染风险评价方法和防治区划方法，编写了“华北平原地下水污染状况及防治建议”，获得温家宝总理的批示。)